Điốt phát sáng (LED) là chất bán dẫn hiệu quả tạo ra ánh sáng thông qua một quá trình được gọi là điện phát quang. Chúng nhỏ hơn, tuổi thọ cao hơn và đáng tin cậy hơn so với đèn sợi đốt hoặc đèn huỳnh quang. Với các ứng dụng trong chiếu sáng, màn hình và các lĩnh vực chuyên dụng, đèn LED mang lại hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Bài viết này cung cấp thông tin về cách hoạt động của đèn LED, đặc điểm, tuổi thọ và các loại tiên tiến của chúng.
Tổng quan về đèn LED
Diode phát sáng (LED) là một thiết bị bán dẫn tạo ra ánh sáng khi dòng điện chạy qua nó theo hướng thuận. Không giống như bóng đèn sợi đốt, phát sáng bằng cách làm nóng dây tóc, hoặc đèn huỳnh quang dựa vào kích thích khí, đèn LED hoạt động thông qua điện phát quang, phát xạ trực tiếp các photon khi các electron tái kết hợp với các lỗ bên trong chất bán dẫn. Quá trình này làm cho chúng hiệu quả và đáng tin cậy hơn nhiều so với các công nghệ cũ hơn. Đèn LED nổi bật nhờ thiết kế nhỏ gọn, tuổi thọ cao, độ bền chống va đập và rung và tiêu thụ điện năng tối thiểu.
Phát xạ ánh sáng trong chất bán dẫn
Hình ảnh này giải thích quá trình phát xạ ánh sáng trong chất bán dẫn, đó là nguyên lý hoạt động đằng sau đèn LED. Khi một chất bán dẫn bị kích thích bởi dòng điện hoặc phun quang, các electron di chuyển từ dải hóa trị sang dải dẫn, tạo ra sự tách biệt giữa các electron và lỗ trống. Sự khác biệt năng lượng này được gọi là khoảng cách dải (Ví dụ).
Sau khi bị kích thích, electron trong dải dẫn cuối cùng kết hợp lại với một lỗ trên dải hóa trị. Trong quá trình tái tổ hợp này, năng lượng bị mất được giải phóng dưới dạng photon. Năng lượng của photon phát ra tương ứng chính xác với khoảng cách dải của vật liệu, có nghĩa là bước sóng (hoặc màu sắc) của ánh sáng phụ thuộc vào khoảng cách dải của chất bán dẫn.
Đặc tính điện LED
| Màu LED | Điện áp chuyển tiếp (Vf) | Dòng chuyển tiếp (mA) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Đỏ | 1.6 - 2.0 V | 5 - 20 mA | Vf thấp nhất, hiệu quả cao |
| Màu xanh lá cây | 2.0 - 2.4 V | 5 - 20 mA | Vf cao hơn một chút |
| Màu xanh lam | 2.8 - 3.3 V | 5 - 20 mA | Yêu cầu nhiều điện áp hơn |
| Trắng | 2.8 - 3.5 V | 10 - 30 mA | Được làm bằng đèn LED xanh lam + lớp phủ phốt pho |
Công suất và hiệu quả phát sáng LED
| Nguồn sáng | Hiệu quả (Lumens trên Watt) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Bóng đèn sợi đốt | \~10–15 lm/W | Hầu hết năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt |
| Đèn halogen | \~15–25 lm/W | Tốt hơn một chút so với sợi đốt |
| Ống huỳnh quang | \~50–100 lm/W | Yêu cầu chấn lưu, chứa thủy ngân |
| Huỳnh quang nhỏ gọn (CFL) | \~60–90 lm/W | Yếu tố hình thức nhỏ, đang bị loại bỏ |
| Đèn LED hiện đại | 120–200 lm / W | Có sẵn trong chiếu sáng tiêu dùng |
| Nguyên mẫu LED cao cấp | 250–300+ lm / W | Đã được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, cho thấy tiềm năng trong tương lai |
Màu LED và chất lượng kết xuất
Nhiệt độ màu tương quan (CCT)
• Trắng ấm (2700K–3500K): Tạo ra ánh sáng hơi vàng, tốt nhất cho phòng khách, nhà hàng và khung cảnh trong nhà ấm cúng.
• Trắng trung tính (4000K–4500K): Cân bằng và thoải mái, thường được sử dụng trong văn phòng, lớp học và không gian bán lẻ.
• Trắng mát (5000K–6500K): Ánh sáng ban ngày sắc nét, hơi xanh, tuyệt vời cho ánh sáng ngoài trời, xưởng và môi trường nặng nề.
Chỉ số hoàn màu (CRI)
• CRI ≥ 80: Thích hợp cho chiếu sáng gia đình và thương mại.
• CRI ≥ 90: Bắt buộc trong các lĩnh vực yêu cầu phán đoán màu sắc chính xác, chẳng hạn như studio nghệ thuật, cơ sở y tế và bán lẻ cao cấp.
Tuổi thọ LED và bảo trì Lumen
Tiêu chuẩn L70
Tuổi thọ của đèn LED được đo bằng tiêu chuẩn L70. Giá trị này đại diện cho số giờ hoạt động cho đến khi công suất ánh sáng của đèn LED giảm xuống 70% độ sáng ban đầu. Tại thời điểm này, đèn LED vẫn hoạt động nhưng không còn cung cấp chất lượng chiếu sáng như mong muốn. L70 đảm bảo một cách nhất quán để so sánh hiệu suất đèn LED giữa các nhà sản xuất.
Tuổi thọ của đèn LED
• Đèn LED tiêu dùng: 25.000 – 50.000 giờ sử dụng.
• Đèn LED công nghiệp: 50.000 - 100.000+ giờ, được thiết kế cho các điều kiện khắc nghiệt hơn và chu kỳ làm việc cao hơn.
Quản lý nhiệt LED
Nhiệt độ tiếp giáp (Tj)
Nhiệt độ tiếp giáp là nhiệt độ bên trong tại điểm tạo ra ánh sáng bên trong chip LED. Các nhà sản xuất chỉ định phạm vi hoạt động an toàn dưới 125 ° C. Nếu vượt quá giá trị này, độ sáng, hiệu suất và tuổi thọ của đèn LED sẽ giảm. Giữ Tj thấp đảm bảo đèn LED có thể đáp ứng hiệu suất định mức của nó.
Đường dẫn nhiệt từ giao nhau đến môi trường xung quanh
Nhiệt sinh ra bên trong đèn LED phải truyền từ điểm nối đến không khí xung quanh. Con đường này được gọi là đường nối đến môi trường xung quanh. Các nhà thiết kế đo lường hiệu quả của nó bằng cách sử dụng điện trở nhiệt (RθJA), được biểu thị bằng °C/W. Khả năng chịu nhiệt thấp hơn có nghĩa là nhiệt được truyền hiệu quả hơn, giữ cho đèn LED mát hơn và ổn định hơn.
Phương pháp làm mát
• Tản nhiệt - Các cánh tản nhiệt bằng nhôm hấp thụ và tản nhiệt ra khỏi đèn LED.
• Thermal Vias - Các lỗ mạ nhỏ trên PCB dẫn nhiệt từ tấm LED đến các lớp đồng.
• PCB lõi kim loại (MCPCB) - Được sử dụng trong đèn LED công suất cao, các bo mạch này có đế kim loại truyền nhiệt hiệu quả.
• Làm mát chủ động - Quạt hoặc hệ thống làm mát bằng chất lỏng được sử dụng trong các môi trường khắt khe như máy chiếu, chiếu sáng sân vận động hoặc đồ đạc công nghiệp.
Phương pháp lái xe LED
Trình điều khiển hiện tại không đổi
Trình điều khiển dòng điện không đổi giữ cho dòng điện LED ổn định ngay cả khi điện áp cung cấp dao động. Đây là cách đáng tin cậy nhất để cấp nguồn cho đèn LED, vì nó ngăn chặn sự thoát nhiệt và duy trì công suất ánh sáng ổn định. Trình điều khiển chất lượng cao thường bao gồm các biện pháp bảo vệ chống đoản mạch, tăng vọt và điều kiện quá nhiệt.
Làm mờ PWM
Điều chế độ rộng xung (PWM) kiểm soát độ sáng bằng cách bật và tắt đèn LED ở tốc độ rất cao. Bằng cách điều chỉnh chu kỳ làm việc (tỷ lệ giữa thời gian bật và thời gian tắt), độ sáng cảm nhận thay đổi trơn tru. Bởi vì tần số chuyển mạch cao hơn phạm vi phát hiện của mắt người, ánh sáng xuất hiện ổn định. Các hệ thống được thiết kế kém với PWM tần số thấp có thể gây ra hiện tượng nhấp nháy có thể nhìn thấy được, dẫn đến mỏi mắt hoặc hiện vật máy ảnh.
Làm mờ tương tự
Trong làm mờ tương tự, độ sáng được điều chỉnh bằng cách thay đổi biên độ của dòng điện chạy qua đèn LED. Phương pháp này tránh các vấn đề nhấp nháy nhưng có thể thay đổi màu sắc của đèn LED một chút, đặc biệt là ở mức độ sáng rất thấp. Làm mờ tương tự thường được kết hợp với PWM trong các hệ thống tiên tiến để đạt được cả khả năng kiểm soát màu sắc mượt mà và điều chỉnh độ sáng chính xác.
Bao bì LED và quang học
Đèn LED của thiết bị gắn trên bề mặt (SMD)
Đèn LED SMD là loại được sử dụng nhiều nhất trong chiếu sáng hiện đại. Chúng được gắn trực tiếp trên PCB và có các kích thước tiêu chuẩn như 2835 và 5050. Đèn LED SMD mang lại hiệu quả và tính linh hoạt tốt, làm cho chúng trở nên tốt nhất cho dải đèn LED, bóng đèn gia dụng và đèn bảng điều khiển. Kích thước nhỏ gọn của chúng cho phép dễ dàng tích hợp vào các đồ đạc mỏng và nhẹ.
Đèn LED chip-on-board (COB)
Các gói COB gắn nhiều khuôn LED trực tiếp trên một chất nền duy nhất, tạo ra nguồn sáng dày đặc. Thiết kế này cung cấp độ sáng cao hơn, công suất ánh sáng mượt mà hơn và giảm độ chói so với các SMD riêng lẻ. Đèn LED COB được tìm thấy trong đèn chiếu, đèn downlight và đèn công suất cao, nơi cần có ánh sáng định hướng mạnh.
Đèn LED gói quy mô chip (CSP)
Công nghệ CSP loại bỏ bao bì cồng kềnh, giảm đèn LED xuống gần bằng kích thước với chính khuôn bán dẫn. Điều này cho phép các thiết kế nhỏ hơn, hiệu quả hơn và ổn định nhiệt. Đèn LED CSP được sử dụng rộng rãi trong đèn pha ô tô, đèn nền điện thoại thông minh và bảng hiển thị, nơi yêu cầu sự nhỏ gọn và độ bền.
Quang học và điều khiển chùm tia
Ánh sáng thô từ gói LED không phải lúc nào cũng thích hợp để sử dụng trực tiếp. Để định hình và hướng ánh sáng, các nhà thiết kế sử dụng các yếu tố quang học như thấu kính để lấy nét hoặc lan tỏa ánh sáng. Gương phản xạ để chuyển hướng và kiểm soát góc chùm. Bộ khuếch tán cho ánh sáng dịu nhẹ, đồng đều.
Các loại đèn LED chuyên dụng
Đèn LED UV
Phát ra tia cực tím để khử trùng, đóng rắn chất kết dính và phát hiện hàng giả. An toàn, nhỏ gọn thay thế cho đèn UV thủy ngân.
Đèn LED hồng ngoại
Tạo ra ánh sáng hồng ngoại vô hình cho điều khiển từ xa, tầm nhìn ban đêm và hệ thống sinh trắc học. Hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong điện tử và an ninh.
Màn hình OLED
Đèn LED hữu cơ mỏng, linh hoạt được sử dụng trong điện thoại thông minh, TV và thiết bị đeo. Mang lại màu sắc và độ tương phản sống động nhưng có tuổi thọ ngắn hơn.
Đèn LED siêu nhỏ
Màn hình thế hệ tiếp theo cung cấp hiệu suất sáng hơn, hiệu quả hơn và lâu hơn so với OLED. Tốt nhất cho AR / VR, TV và đồng hồ thông minh.
Điốt laser
Các thiết bị bán dẫn tạo ra các chùm tia cường độ cao, mạch lạc. Được sử dụng trong sợi quang, máy quét, dụng cụ y tế và con trỏ laser.
Kết luận
Đèn LED đã phát triển thành các thành phần linh hoạt được sử dụng trong chiếu sáng, màn hình và công nghệ tiên tiến. Hiệu quả, độ bền và khả năng điều khiển của chúng khiến chúng khác biệt với các nguồn sáng cũ hơn. Các dạng chuyên dụng như UV, IR, OLED và micro-LED mở rộng vai trò của chúng hơn nữa. Với những cải tiến liên tục, đèn LED vẫn là trung tâm của tương lai của hệ thống chiếu sáng hiệu suất cao và bền vững.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Quý 1. Đèn LED được làm bằng vật liệu gì?
Đèn LED được làm từ chất bán dẫn như gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP) và gallium nitride (GaN).
Quý 2. Tại sao đèn LED cần điện trở?
Điện trở hạn chế dòng điện và bảo vệ đèn LED không bị cháy.
Quý 3. Đèn LED trắng được tạo ra như thế nào?
Đèn LED trắng sử dụng chip LED màu xanh lam với lớp phủ phốt pho màu vàng để tạo ra ánh sáng trắng.
Quý 4. Tại sao đèn LED thay đổi màu sắc theo thời gian?
Đèn LED thay đổi màu sắc do nhiệt và sự xuống cấp của vật liệu, cũng như sự suy thoái phốt pho.
Câu 5. Đèn LED có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt không?
Có. Với thiết kế phù hợp, đèn LED có thể chạy trong điều kiện rất lạnh, nóng, ẩm ướt hoặc bụi bẩn.
Câu 6. Tuổi thọ của đèn LED được kiểm tra như thế nào?
Đèn LED được thử nghiệm với nhiệt, độ ẩm và ứng suất điện để ước tính tuổi thọ.